共晶相图及共晶系合金的凝固和组织

粗糙－光滑界面系的歪斜型伪共晶区；
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Al-Si系的伪共晶区歪斜于Si的一边，所以一般铸造的 共晶（甚至过共晶）合金获得亚共晶组织，过共晶合金 一定要过冷至伪共晶区才可获得全部共晶组织。
Al-Si系的伪共晶区
(a)Al-Si系等轴成长时的伪共晶区； (b)过共 晶Al-Si合金的显微组织， ×200；
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共晶合金的性能
（1）有良好的流动性，能很好地填充铸模
（2）合金系中共晶的熔点最低，简化熔化和铸造工艺，降 低能源消耗和坩埚腐蚀
（3）利用定向凝固使共晶两相获得细而均匀的定向排列， 制造共晶复合材料
• 利用共晶熔点最低的特性配制各种易熔合金，如焊料、保 险丝材料：铅和锡的共晶熔点为183℃，若制成铅、锡和 铋三元共晶，其熔点降至96℃
α II
组织：β + α II +共晶
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50 0x
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例题：
1按下列数据，做出A-B二元共晶相图:
(1)TA>TB(TA,TB分别是A，B的熔点)；
(2)
L WB 0.6
WB 0.15
WB 0.95
(3)B在A中的溶解度随温度下降而减少，室温时为WB=0.03 ；A在B中的溶解度不变。
• 所以在同样条件下，共晶凝 固速度比单相溶体要快得多
远处液体浓度
e jk
jk
j
层状2共3 晶成长时界面前沿的横2向02原0/子9/2扩3 散
共晶的形核
• 一个共晶晶粒中的每一单片层并不都需要单独形核，各片 层间多半是通过搭桥连接起来
层片共晶形核和成长
(a)单独的α片；
(b)β相在α片主要原因是由于非金属相晶体结构上的特性不同，使其 成长时具有明显的各向异性
针状(Al-Si),× 100 螺旋状(Zn-MgZn2),× 500 蛛网状(Al-Si),× 100 骨骼状(Al-Ge),× 500
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• 规则共晶界：两相排列整齐，凝固后的组织完全规则，层 片厚度仅受成长速度的影响
线条 α和β的液相线： AE和B E线 α和β的固相线： AC和B D 共晶线CED：三相平衡LE→ αC＋βD，自由度为零，温 度和相成分都恒定不变 固溶度线CF和DG：α和β 固溶体的溶解度随温度的 降低而减少
Ag-Cu共晶相图
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相区
• 单相区：自由度ƒ=2 • 两相区：两相平衡，ƒ=1，温度和两相的成分固定一个参数，其它两
第三组元被排出在两相界面 前沿产生成分过冷区，在某一临界
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G/R值下，如同固溶体合金一样，
也会产生胞状共晶或树枝状共晶
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2．粗糙－平滑界面共晶（金属－非金属型共晶，不 规则或复杂规则共晶）
• 主要指金属－非金属型共晶，如Fe-C系和Al-Si系两类共 晶，具有不规则或复杂规则的组织形态
• T2：共晶→αⅡ+βⅡ ，
β初→αⅡ= β初*（100-92）/100
• T3，α和β的成分分别为F和G，相组成物的量发生变化， 但组织组成物的特征保持原样
初晶β 共晶
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x3亚共晶合金凝固过程及其组织
T1~T2:L→α初 ， T2：L→共晶（α+β）， T2~T3：析出次晶，可忽略不计。
• 非平衡凝固的亚（或过） 共晶合金的组织中，共晶 组织的量比平衡状态多
• 过冷至伪共晶区，则获得 全部伪共晶组织
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对称型伪共20晶20/区9/2；3
歪斜的伪共晶区：
两个相的结晶速率与 过冷度的关系差别很大， 晶体结构复杂和平滑界面 的相的成长速率随温度下 降而降低较快，伪共晶区 歪斜地偏向该相的一边： Al-Si，Fe-C，Sn-Bi
• 不规则共晶的界面：两相排列不齐，组织粗大，非金属相 位向各不相同，非金属相两枝间的平均间距大，两枝间的 间距差别也大
规则共晶界面
Al-Si共晶成长形貌示意图
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以Al-Si合金为例说明第二类共晶成长界面特性：
Al-Si系的共晶点含12.7%Si（重量），二者相互固溶度很少，Al相的 体积分数远大于Si相
3 共晶相图及共晶系合金的凝固和组织
3.1 相图分析 3.2 共晶系合金的平衡凝固和组织 3.3 共晶组织及其形成机理 3.4 共晶系合金的非平衡凝固和组织
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3.1共晶相图分析
• 两组元在固态部分溶解，形成有限的固溶体α和β，具有共晶转变 • Ag-Cu、Pb-Sn、Al-Si、Al-Sn、Cd-Sn、Au-Pt……
• α、β反复的互相促进，交 替形核，形成相间排列的晶 体
共晶凝固时的固/液界面的 平衡相浓度
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长大机理---以稳态的定向凝固为例：
• α相界面的液体成分为k， β相界面的液体成分为j， 两相间的横向浓度差为j-k
• 界面液体中的纵向浓度差为 k-e（或j-e），
• 横向浓度差大，横向扩散距 离很短，横向原子扩散强烈 ，
2.一个二元共晶反应如下：
L WB 0.75
WB 0.15
WB 0.95
求（1）WB=0.50的合金凝固后，α初与（α+β）共晶的相对 量；α相与β相的相对量。
（2）若共晶反应后β初和（α+β）共晶各占一半，问该合 金成分如何：
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3.3 共晶组织及其形成机理
• 共晶组织的基本特征：两相交替排列 • 两相的形态多种多样：层片状、棒状（或带状）、纤维状
形核机理---以稳态的定向凝固为例：
• T2：α和β均达到过饱和要 形核析出
• 若α领先形核并成长，成分 为h，含B量比原液体e少， 剩余的B量被排出在界面近 旁的液体中，浓度达到k， 促使β相在α相上形核长大 ，成分为i，
• β相界面液体中的含A量变 至比k点更高的j点。含A量 较高的液体有利于析出α相
100% 45.4%
ME
61.9 1.9
W MN 100% 97.5 19 100% 54.6%
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III合金：亚共晶， Pb－50％Sn，
β II
组织：α＋共晶＋βII14
α+β
α
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VI合金：过共晶合金（ Pb－70％Sn ）
β (α+β)
• 工业中最普遍的共晶型合金有铸铁和铝硅系铸造合金，以 及各种焊料合金
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Pb－Sn共晶系合金平衡凝固
I合金（Pb－10％Sn） 组织：α+βII
500x
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II合金：全部共晶组织
共晶温度时两相相对含量：
W
EN MN
100%
97.5 61.9 97.5 19
距（λ分支）时，产生分支，以
避免枝间距过大
•愈长愈接近的晶枝达到一定极
限值时，Si量耗尽就停止成长;
•在每个共晶领域内的Si晶基本 上都是连成一个整体。
29 Al-Si共晶成长形貌示意20图20/9/23
3.4 共晶系合金的非平衡凝固和组织
实际冷却速度较快，使共晶系合金的凝固过程和显微组织与正常
1．“伪共晶组织”：
初晶α
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共晶（α+β）
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x4共晶合金凝固过程及其组织
• TE：LE→共晶（αC＋βD） ， • TE以下：析出次晶
形核中心
一般铸造的共晶组织
定向凝固层片状共晶 9 Ag-Cu共晶： 2020/9/23 两相交替排列，组织较
细密
初晶形态:取决于初晶相的固/液界面微观结 构
Pb-70Sn的显微组织， 500x
过共过晶共P晶b-PSbb-的Sb显的显 微组微织组织
1．粗糙界面： 一般呈树枝状，显 微组织中表现为各分枝的截面，呈 不连续不规则的椭圆形，试样表面 恰好通过枝晶主轴时，显示出完整 的枝晶形貌，Ag-Cu合金α和β初晶 皆呈树枝状
2．光滑界面：一般
呈规则的多边形，如
方块、三角形，针状
10 或条状等
的合金称为过共晶合金
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x1合金凝固过程（固溶体合金 ）
T1~T2：L→α 初，
T2~T3：（ α 初）
T3：α初→βⅡ ， 晶界、缺陷处
T3~T4:α和β分 别沿CF和DG变化。
最终组织为α初和βⅡ
含量：
α初=4G/FG×100%5
βⅡ =F4/FG×100%
相含量：？
P点：T3时βⅡ 成分
（或点状）、针状、螺旋状、蛛网状及骨骼状（枝状）等
层片状(cd-Sn),×250
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棒状
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共晶组织形态
纤维状(Al-Ni)(横截面),×150
针状(Al-Si),×100
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螺旋状(Zn-MgZn2),×500
蛛网状(Al-Si),×100
骨骼状(Al-Ge),×500
•Si相界面排出的Al浓度高，导致更大的成分过冷而加速Si
的成长；
•Al相界面较宽，排出的Si量少，成分过冷小，生长速度慢；
而且当Al界面达到一定宽度之后，从Si中排出的Al不能及时 •补随充成A长l的而表远面离，的即SiA晶l中枝间前部沿分溶出现凹陷，落后于界面前沿； 质多，成分过冷大，达到一定间
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Al-Si系的晶粒细化
• 要获得纤维状细小的Si组织，可以通过以下方式： （1）合金从液态激冷（淬火）可获得纤维状Si组织； （2）工业上，加入少量Na、P或Sr进行变质处理获得细小
分支的Si纤维组织
Na的变质原理：
1. 阻止Si晶成长，
促使其产生更多
细小分支；
2. 提高Al的界面过
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Fe－C（石墨）共晶中的石墨晶体
a-电子扫描照片，显示石墨晶体互连；b-金相照片
• 共晶组织形态与固/液界面结构有关，按共晶两相 的固/液界面特性分成三类：
（1）粗糙-粗糙界面（即金属-金属型）共晶 （2）粗糙-平滑界面（即金属-非金属型）共晶 （3）平滑-平滑界面（非金属-非金属型）共晶
(a) 加钠盐变质后伪共晶区往右上移 冷度，加速Al成
(b)加钠变质后，过共晶合金缓冷也可获 长；
得伪共晶或亚共晶组织
×20304
3. 增加Si晶20核20/形9/2成3
数目。
2．非平衡共晶组织
• 在固溶度端点以外的合金，在非平衡凝固时形成少量共晶组织
• 3.某些条件下产生不稳定的界面，形成初晶、 胞状晶或树枝状共晶。
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不稳定的界面 (a)单相不稳定性（偏离于共晶成分）
(b)两相不稳定性（第三组元的影响）
局部液体成分偏离 共晶成分，两共晶相之一从 共晶界面单独长出去，出现 初晶加共晶的显微组织
Al-CuAl2共晶合金的纵截面 (a)胞状共晶组织；(b)树枝状共晶组织
由非共晶合金所获得的全 部共晶组织。
将形成全部共 晶组织的成分和温度范围 称为“伪共晶区”或“配 对区”，伪共晶区的成分 范围随过冷度增大而增宽(a)粗糙－粗糙界面系的对称型；
(b)粗糙－平滑界面系的歪斜型
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伪共晶区形状由组成相的结晶动力学特性所决定
对称性伪共晶区：两个相的单独成长速率与过冷度的关系 差别不大，伪共晶区向共晶点下面两边呈对称性地扩大PbSn，Ag-Cu，Cd-Zn
金属合金只涉及前两类
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1．粗糙-粗糙界面共晶（金属-金属型共晶，规则共晶）
• 包括金属-金属共晶和金属-金属间化合物共晶 • 具有简单规则的组织形态：层片状，棒状或纤维状 • 影响成长形态的主要因素是热流方向和两组元在液体中的
互相扩散
层片状(Pb-Cd),× 250
棒状
21 纤维状(Sn-Pb)(横截面),2×02105/09/23
个随之就固定不变，如T0温度α和β相的成分分别为k和h • 三相区：为一条水平线
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3.2 共晶系合金的平衡凝固和组织
• C点左边和D点右边的合金属于固溶体合金，与前述的固溶体合金在 固态继续冷却时不同
• CD线中间的合金在凝固时均有共晶反应发生，属于共晶型合金 • E点合金称为共晶合金，C-E之间的合金称为亚共晶合金，D-E之间
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x2合金凝固过程（过共晶合金）
T1:L→β初， T2共晶反应： LE→αC＋βD ，全部液体凝固完毕
凝固完毕后的组织为： β初晶＋共晶， β初晶＝E2/ED×100 % 共晶＝2D/ED×100%
相组成物的百分量：
α ＝2D/CD×100%
β ＝C2/CD×100%
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球团共桥晶分形枝核和成长
(a)β相在α相上形
核；
(b)两相搭桥分枝成
长；
(c)球团成长前沿的
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分枝情况2020/9/23
共晶的形貌
• 1.当共晶中一相的体积分数＜30%时，主要形成 棒状共晶；若两相界面能各向异性较大时，也 可形成层片状共晶；
• 2.当共晶中一相的体积分数为30%~50%时，层片 状共晶；